CN1224771A - 用于溅射或电弧蒸发的设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种直线磁控型阴极,可以用做蒸发或等离子体源,用于涂敷溶积或离子处理。该阴极具有伸长的矩形棒形状,从围绕棒周边、沿两相对侧边和围绕两端的蒸发表面发生材料的蒸发。在整个蒸发表面上建立磁场,其具有平行于该表面并且垂直于阴极纵向的分量,围绕周边形成闭合磁性隧道,引导电弧或溅射等离子体放电。通过选择磁场强度和横向限制装置,该阴极可以构型为用于溅射或阴极电弧蒸发。

Description

用于溅射或电弧蒸发的设备

本发明涉及涂敷淀积和等离子体处理(离子注入、腐蚀等)，特别是涉及磁控型阴极。

磁控型阴极在近二十年来在溅射和电弧蒸发领域中得到广泛应用，其中在阴极的蒸发表面的至少一部分上建立闭合磁场。在溅射阴极的情况下，磁场用于增强惰性气体等离子体放电，并且沿蒸发表面按闭合路径引导等离子体。在电弧阴极情况下，磁场用于沿蒸发表面按闭合路径引导一个或多个电弧点的方向。在溅射和电弧蒸发中采用相同的阴极和磁场几何结构，主要差别在于所要求的磁场强度和放电的横向限制的方式。溅射阴极的场强一般是几百高斯，而电弧阴极的场强一般是仅几十高斯。最为常用的磁控型阴极可以表示为基本上是平面或圆筒几何结构。

平面磁控管一般包括待蒸发材料的平坦圆环或者矩形板。正如美国专利5407551(Sieck等)、4162954(Morrison)、4673477(Ramalingam等)和4724058(Morrison)所述，磁场从板中穿过或从其上经过，在蒸发表面上形成闭合磁性隧道或者“轨道”。磁性隧道引导并包含溅射或者电弧放电，一般在蒸发表面(材料被蒸发的阴极表面)上形成圆形或椭圆消蚀槽。由两种工艺蒸发的材料在基本垂直于蒸发表面的方向发射。从本发明的目的来了解，基本垂直的方向是指围绕表面的垂直线为中心的发射分布，其中在特定方向从阴极上的特定点发射的材料量，随与在该点的垂直线的夹角的增大而减少。被涂敷的基片一般面对阴极表面并且可以旋转和/或移动，以便扩展均匀分布的区域。阴极表面的部分可以相对于平坦表面倾斜，如美国专利4428259(Class等)和4457825(Lamont)所述，以便影响发射材料的分布或阴极消蚀轮廓。

美国专利4404077(Fournier)公开了一种矩形平面三极管溅射设备，其中平行场分量延伸于蒸发表面上的非闭合路径之上，在路径的一端具有电子发射极，在另一端具有收集极。矩形平面电弧阴极公开于美国专利5480527(Welty)，其中平行场分量的极性被反向，使得电弧沿蒸发表面的长度来回扫描。矩形电弧蒸发阴极公开于美国专利5380421(Gorokhovsky)，其中蒸发表面是具有斜边的矩形板的一侧，组合的静磁和动磁装置用于控制电弧沿长度的移动。磁控型溅射阴极公开于美国专利5277779(Henshaw)，包括矩形框架，其中消蚀路径围绕框架的内周边，蒸发材料向内朝向框架孔的中心，待涂敷的基片穿过该孔。两侧平面磁控型溅射阴极公开于美国专利4116806(Love)，在位于包括磁性装置的中央框架的每一侧上的两个平面靶中的每一个上，具有分离的闭合磁性隧道。用于电弧蒸发或溅射两者的平面磁控型阴极公开于美国专利5160585(Hauzer等)，其中磁体装置的一部分可以相对于靶表面移动，以便根据采用的蒸发方法调节场强。

圆筒磁控管一般包括待蒸发材料的圆筒棒或管。蒸发表面通常是圆筒表面的整个外部或内部，而发射分布取决于特定的磁构型。具有平行于圆筒长轴的螺线磁场的圆筒溅射阴极公开于美国专利4031424(Penfold等)，其具有的发射分布垂直于外表面，并且在理想情况下围绕圆周及沿长度是均匀的。采用在圆筒靶内的磁性装置的溅射和电弧阴极例如公开于美国专利4717968(Mckelvey)、5364518(Hartig等)和4849088(Veltrop等)，其中在部分外表面上产生闭合磁性隧道和消蚀轨迹，利用磁体装置和靶圆筒之间的相对移动，实现靶的均匀消蚀。在圆筒旋转的同时磁性装置可以保持固定，反之亦然。发射分布基本上垂直于包括消蚀轨迹的瞬时位置的圆筒表面上的点。具有螺线磁场的短圆筒电弧蒸发阴极公开于美国专利4492845(Kuljuchko等)和5518597(Storer等)。长圆筒电弧蒸发阴极一般需要动态装置，保证电弧在阴极长度的均匀移动，例如公开于美国专利5269898(Welty)和5451308(Sablev等)。外线圈施加垂直于阴极长轴的磁场的圆筒电弧阴极公开于苏联发明人证书711787。在此情形，电弧点被描述成限制在磁力线接近垂直于阴极表面的区域中，其中说明通过围绕阴极旋转线圈来实现电弧围绕圆周的移动。在此情形中磁场不包括阴极表面上的闭合隧道或者路径。

用于防止电弧放电点移出蒸发表面的绝缘体装置公开于美国专利4430184(Mularie)。用于防止电弧点移出蒸发表面的导磁环装置公开于美国专利4448659(Morrison)、4559121(Mularie)和4600489(Lefkow)。用于熄灭移出特定蒸发表面的电弧点的屏蔽和间隙装置公开于美国专利3793179和3783231(Sablev等)。用于包含电弧放电的采用涡流的导电环装置公开于美国专利5387326(Buhl等)。用于包含溅射放电的突出侧壁装置公开于美国专利4515675(Kieser等)、4933064(Geisler等)、5133850(Kulla等)、5266178(Sichmann等)和5597459(Altshuler)，其中靶的向外突出、磁极或者在蒸发表面侧的屏蔽用于提供等离子体的横向限制。

美国专利4581118(Class等)公开了具有书状矩形体的磁控管基片支撑电极、和具有凸缘状极片的磁体芯，提供围绕电极体的纵向磁场。该设备提供对安装在电极上的基片的均匀等离子体处理，并指教与面对支撑电极和基片的分离溅射阴极共同使用。基片电极被夹持与电源连接，该电源具有适合于靠近基片表面的反应气体的电离的电压，而不会引起明显的来自基片的的溅射。因此，该设备既没有蒸发表面也没有蒸发发射分布。

使用在离子或者等离子体源中的电弧蒸发和溅射阴极用于注入或者腐蚀处理是已知的，如美国专利4994164(Bernardet等)、5404017(Inuishi等)、5482611(Helmer等)所公开的。已知使用来自电弧蒸发阴极的离子，从偏置的二次阴极溅射材料，用于在基片上淀积。已知与CVD工艺一起使用电弧蒸发阴极，如美国专利4749587(Bergmann)和5587207(Gorokhovsky)。对溅射和电弧蒸发的设备和工艺的一般说明可见J.Vossen等的“薄膜工艺”(Academic Press,1991),R.Boxman等的“真空电弧科学和技术手册”(Noyes,1995),B.Chapman的“辉光放电工艺”(Wiley,1980)和D.Smith的“薄膜淀积-原理和实践”(McGraw-Hill,1995)。

这里公开的磁控型阴极具有与传统流行的磁控型阴极不同的形状、磁场几何结构和发射分布。本发明中，阴极具有如图1所示的矩形棒形状(平行六面体)。阴极材料的消蚀发生于围绕棒周边、沿两相对侧边并且围绕两端的蒸发表面。因此，从蒸发表面发射的蒸发材料主要分布在垂直于阴极长轴的两个相对方向上。蒸发材料也在垂直于阴极末端的方向发射，但是对于足够长的阴极来说，在这些方向发射的材料量只是总量的一小部分。本发明提供在长阴极上的均匀发射，有助于大基片的涂敷或者注入。完成在长电弧蒸发阴极上的均匀消蚀无需复杂的开关或者动态控制配置。由于蒸汽是在垂直于阴极长度的两个方向而不是仅一个方向上发射，所以本发明还提供大于相同长度的传统矩形平面磁控管的面积覆盖。根据本发明截面尺寸达至少10cm、长度达至少3米的阴极是实用的，利用现行的工业标准可以实现长的阴极工作寿命和大的涂敷面积覆盖。

采用永磁体或者电磁铁围绕阴极的整个周边建立磁场。磁场在整个蒸发表面上具有分量，该分量平行于蒸发表面且垂直于阴极长轴。在溅射和电弧放电两种情形中，发射的二次电子或者电弧点(分别地)在垂直于此平行磁场分量的方向沿蒸发表面移动。由于平行磁场分量围绕本发明的阴极周边是连续的，所以电子或者电弧点按连续闭合路径围绕蒸发表面移动。通过溅射或者电弧蒸发从此消蚀路径蒸发阴极材料，在基本垂直于表面的方向发射。平行磁场分量在5-50高斯范围的磁场强度(磁通密度)通常适合于电弧蒸发阴极，而200-400高斯的磁通密度一般适合于溅射阴极。在使用两种技术的某些情形要求较高的磁场强度，例如使用低电弧速度的材料(例如碳或铜)，或者要求在低气压下溅射时。

如上所述，围绕闭合消蚀路径的原动力是基于平行于蒸发表面并且垂直于阴极长度的磁场分量。为了实现仅在指定的蒸发表面上的可控蒸发，作用于等离子体放电的、亦即在横跨消蚀路径宽度方向的横向力通常也是必需的。在溅射放电情形，希望防止等离子体沿磁力线从蒸发表面横向地扩散开，从而降低溅射率。在电弧蒸发放电情形，希望防止电弧点横向地移出指定的蒸发表面，落在其它阴极或连接体表面上。根据阴极是用于溅射还是电弧蒸发，在本发明的范围内可以采用各种横向控制措施。用于电弧放电点的横向控制装置可以包括例如磁性装置、绝缘体装置、渗透性环装置、传导性环装置、屏蔽装置、或者突出侧壁装置。用于溅射放电的横向控制装置可以包括例如磁性装置或者突出侧壁装置。以下将说明优选实施例，其中选取横向控制装置以便提供均匀的阴极消蚀和高的材料使用效率。

阴极一般与待涂敷或注入的基片一起安装在真空室内，并且在电弧蒸发或者溅射配置中均在低于50mTorr的压力下操作。在操作过程中可以把惰性和/或反应气体例如氩气、氮气、氧气、甲烷等引入真空室。在操作过程中阴极一般与直流电源的负输出端连接，电源的正输出端与阳极连接。阳极可以是位于真空室内的电绝缘结构，或者是真空室本身和/或是任何内屏蔽等。在溅射阴极的情形，电源具有相对较高的电压和小电流输出容量(例如500伏和20安培)，而对于电弧阴极电源具有相对较大的电流和低电压容量(例如500安培和20伏)。在电弧蒸发阴极的情形，一般利用机械触发器、电火花或者激光脉冲来启动放电，在溅射情形，对阴极简单施加高电压即足以启动放电。阴极还可以在交流或脉冲电源下工作，或者在直流电源和交流或脉冲电源下工作。待涂敷或注入的基片可以与阴极、阳极和真空室绝缘，并且与另一电源的负输出端连接，目的在于提高淀积或注入过程中的离子轰击能量。另外，在阴极加正偏压时基片可以保持在或接近地电位。

在电弧蒸发放电中，除了发射等离子体之外，还可以由电弧喷射出阴极材料的熔融液滴。这些液滴称为微颗粒，主要以相对于阴极表面的小角度喷射。与已有技术的圆筒和平面电弧阴极相比，本发明的进一步优点在于利用从蒸发表面的侧边向外延伸的阳极或屏蔽结构，可以阻挡这些微颗粒的大部分到达基片。对于窄阴极，如图3-A所示的相对较短的侧屏蔽即能大大降低到达基片的微颗粒的数量，同时又保证对蒸发材料的阻挡最小。例如在基片布置成围绕阴极的圆环的涂敷系统中，如下所述，已经在实验中发现本发明的电弧蒸发阴极，与相同尺寸的标准市售圆筒电弧蒸发阴极相比，嵌进氮化锆涂层中的微颗粒数量减少了至少三分之二。

待涂敷或者注入的基片例如可以围绕阴极并且沿其长度安装成旋转圆阵列，或者安装在呈现复合“星型”旋转的心轴阵列上，如图5-A所示。从阴极两侧发射材料提供的围绕基片阵列的覆盖比使用已有技术的单平面磁控管可以获得的覆盖更均匀。例如在反应涂敷淀积中这样可以是有利的，其中要求反应条件在基片阵列周围尽可能均匀，以便获得均匀的性能(例如色彩)。本领域的技术人员熟知各种其它的基片布置。例如在具有基片线性移动的系统中，本发明的双侧发射分布可使两行平行的基片同时涂敷，每行在阴极的每一侧，如图5-B所示。

因此，本发明的一个目的在于在延伸的阴极上提供均匀的消蚀和蒸汽发射，可以在各种基片构型中的大面积上进行均匀的淀积或离子注入。另一目的在于通过适当地选择磁场强度和横向限制装置，可在溅射或者电弧蒸发阴极中操作，无需任何动态电弧点控制，减少由电弧蒸发阴极发射的微颗粒数量，实现在电弧蒸发或溅射构型中的阴极材料的高使用率。

图1是使用两个电磁铁线圈的本发明磁控型阴极的透视图，展示了蒸发表面的相对取向、平行磁场分量和汽相发射分布。

图2是由电磁铁线圈产生的磁力线的剖面顶视图。

图3是本发明的一个实施例的剖面图，其中由磁化方向平行于蒸发表面的永磁体产生磁场。

图4是图3的实施例的磁场发生装置的透视图。

图5是本发明另一实施例的剖面图，其中由磁化方向垂直于蒸发表面的永磁体产生磁场。

图6是图5的实施例的磁场发生装置的透视图。

图7是图3的磁体产生的磁力线和磁极构型的标绘曲线图。

图8是图5的磁体产生的磁力线和磁极构型的标绘曲线图。

图9是用于涂敷或离子注入的设置，其中基片阵列围绕本发明的中央阴极旋转。

图10是用于涂敷或离子注入的设置，其中2行基片在本发明阴极的两侧线性地移动。

图1展示了本发明的磁控型阴极的简化视图，包括具有包围其周边的蒸发表面2(包括透视图中不可见的相应对置表面)的基本是矩形的棒1。电磁线圈3和4共轴地设置在阴极棒1的每侧，其共轴均平行于蒸发表面2的所有段，并且垂直于棒的长轴。小箭头5表示由线圈3和4所示方向的电流沿线圈共轴产生的磁场方向。沿该轴的磁场平行于全部蒸发表面2并且垂直于阴极棒1的长轴。大箭头6表示汽相发射的主要方向，在围绕阴极的各点基本垂直于蒸发表面2。对于长阴极，大多数的蒸发发射于垂直阴极长轴的两个对置方向。侧元件7设置于靠近阴极棒1的非蒸发侧，其是棒1的两个平行侧，但不是蒸发表面2的一部分。侧元件7在蒸发表面边缘提供等离子体放电的横向限制，可以包括如下所述的绝缘或金属板。可以利用传统的用于安装、水冷、屏蔽和电绝缘装置，这里未示出。阴极1与等离子体放电电源8的负输出端连接，等离子体放电电源8可以具有适合于电弧或溅射放电的特性，如上所述。放电电源8的正接线端连接于阳极22，后者可以是接地的金属真空室或者分离的结构，可以接地或不接地。

线圈3和4中的电流可以由连接在线圈接线端9和10的线圈电源15提供，线圈接线端11和12连接在一起。另外，可以把线圈接线端9连接于地(或连接于阳极)，把接线端10连接于放电电源8的正输出端(反之亦然)，(该连接未示出)以使来自放电电源8的放电电流也流过线圈3和4。可以在真空室内、外使线圈3和4与放电等离子体隔开，也可以在真空室内暴露于等离子体，从而形成放电阳极的一部分。在另一实施例中(连接未示出)，线圈3和4位于真空室内，暴露于等离子体，起唯有的放电阳极的作用。在此实施例中，线圈接线端10和11连接在一起，正如也连接在放电电源8的正输出端的线圈接线端9和12。因此被阳极收集的电子电流流经线圈3和4至放电电源8的正输出端，产生由小箭头5表示的磁场。在此构型中，可以使线圈3和4临时接地，以利于等离子体放电的启动。

图2展示了在图1的阴极和线圈布置的剖面(顶视)的磁力线的标绘曲线。导线3a和4a中的电流流动方向是进入纸面，导线3b和4b中的是流出纸面。阴极通常可以工作于线圈电流在两方向流动的状态。小箭头5代表在显示位置的磁力线方向，对应于图1中的小箭头5。在蒸发表面2上的区域13中的磁力线基本平行于表面2，但是由于额外存在如下所述的垂直于表面2的磁场分量，所以磁力线稍呈中凸的拱起。利用线圈尺寸和位置可以控制拱起程度，因而控制等离子体放电的横向磁性限制的程度，距离较大的线圈使拱起较小，距离较小的线圈使拱起较大。可以根据提供线圈电流的装置，选择线圈电流和线圈匝数，以便提供要求的磁场强度。例如，在图2的4匝线圈3和4中的250安培电流将在阴极表面提供约40高斯的平行磁场分量，而在500匝的线圈3和4中的20安培电流将提供约400高斯的平行磁场分量。

侧元件7可以在表面上(向上)突出0(包括0)以上的距离d，并且可以具有面对蒸发表面2的侧壁14，该侧壁与表面的垂线成0(包括0)以上的角度α地倾斜。在本发明的范围内可以采用各种实例的侧元件7。在电弧蒸发阴极的一个优选实施例中，设置绝缘板(例如氮化硼)与蒸发表面2的每个边缘接触，防止电弧点移出蒸发表面2。绝缘板可以与蒸发表面齐平(即d=0)，或者从蒸发表面向外伸出几毫米以上的距离。在电弧阴极的另一优选实施例中，侧元件7包括与蒸发表面2的两边缘接触的金属板。该板可以包括例如阴极材料本身、例如不锈钢板的其它金属、导磁材料或者最好是电弧放电电压高于蒸发表面的材料，最好在蒸发表面之上围绕其整个周边突出几毫米以上的距离d。具有高的电弧放电电压的材料包括难熔金属例如钼和钽。突出元件7也可以具有20度以上的壁角α，于是在磁力线和元件7的突出侧壁之间形成锐角。在成角的侧壁上移动的电弧点因此将通过与磁场的相互作用被推回在蒸发表面上。在电弧阴极的另一实施例中，在围绕1mm以上的距离的两边缘附近设置电气接地或者绝缘金属板，以便熄灭移出蒸发表面2的电弧，或者利用涡流排斥电弧点。溅射阴极的一个优选实施例采用金属侧元件7，在蒸发表面上突出几毫米以上的距离d，其具有的壁可以倾斜0～约70度的角度α。侧元件可以由阴极材料或者其它导电材料构成。突出侧壁此时用于防止溅射等离子体沿磁力线从蒸发表面2向外扩散。在溅射阴极的另一个优选实施例中，侧元件7可以包括在围绕1mm以上距离靠近两边缘设置的金属板，并且在蒸发表面上突出几毫米以上的距离d。这些板可以是电气浮置的或者以居中在阴极和阳极之间的电压来偏置，可以包括部分阴极罩或者磁极结构。突出侧壁此时也用于防止溅射等离子体沿磁力线从蒸发表面2向外扩散。

除了或者替代采用侧元件7的横向限制装置，利用在蒸发表面上围绕矩形棒周边的闭合中凸拱起的磁性隧道，可以实现溅射或电弧放电的横向限制。磁性隧道的拱形形状可以解释成起因于在上述平行分量上附加垂直磁场分量，在蒸发表面上的区域产生磁场的净中凸曲率。垂直磁场分量对溅射等离子体或者电弧点产生横向力，将其从两侧推向消蚀轨迹的中央。较强的垂直分量导致更大的磁场曲率和较强的横向限制力。通过采用其曲率从阴极表面之上的中凸改变为表面之下(在阴极材料内)的中凹的磁场，可以防止在阴极中形成窄的消蚀槽，如美国专利4892633(Welty)所述，如本发明的图7和8所示。通过对产生平行于蒸发表面的磁场分量的同一磁场发生装置进行适当的构型和设置，可以产生垂直磁场分量。市售的有限元件磁性模拟程序、例如来自AnsoftCorporation of Pittsburgh,PA的Maxwell提供了用于阴极设计目的的能力。

图3展示了本发明的优选实施例的剖面图，其中具有蒸发表面2的可置换阴极元件1围绕安装座15安装，包括具有水冷通道16和O形密封环17的矩形棒。具有侧壁14的侧元件7围绕蒸发表面2的周边设置，在蒸发表面之上围绕其整个周边突出至少约2mm以上的距离，最好约5-10mm。元件7也可以具有偏离垂直线20度以上的壁角(图1-B中的α)。在电弧阴极的情形，侧元件7例如可以包括阴极材料本身、其它金属、绝缘材料、导磁材料、或者最好是具有电弧放电电压高于蒸发表面的电弧放电电压的金属。在溅射阴极的情形，侧元件7可以包括与阴极相同的材料或者其它导电材料。阴极元件1被使用螺钉(未示出)的夹子23保持在安装座15上。磁场发生装置包括侧磁体18和中央磁体19、侧导磁极片20和中央导磁极片21。磁体18和19的磁化取向在由磁体块内的箭头所示方向平行于蒸发表面2。阳极22靠近蒸发表面2的边缘设置。虽然没有示出，但可以采用传统的安装、连接、屏蔽和绝缘装置。

图4展示了图3的实施例的磁体和磁极片的透视图。侧磁体18围绕侧导磁极片20的边缘安装。中央磁体19安装在中央导磁极片21的各块之间，后者设置在侧磁极片20之间。磁体18和19和磁极片20和21一起形成磁路，在如图3所示的蒸发表面2的相对各侧上的磁体18之间具有磁极气隙。横跨磁体18的相对面之间的气隙产生磁通量，如图7所示。阴极元件1位于磁极气隙内，以使产生于磁极气隙中的磁通量穿过全部蒸发表面2之上，包括端部，提供围绕阴极的整个边缘的平行于蒸发表面2的磁场分量。中央磁极片21穿过安装块15的中心(图3)并且与两侧磁极片20磁性连接，从而构成磁路并提供磁通量的“返回通路”。磁体18提供磁极片中的大部分磁场，而磁体19主要用于影响气隙内的磁场形状。中央磁极片21可以制成沿阴极长度的多个分离段，如图4所示，以便维持安装块15的机械完整性。

图5展示了本发明另一优选实施例的剖面图，其中阴极包括具有蒸发表面2的矩形棒1。具有水通道16和O形密封环17的安装座15设置在棒1的非蒸发侧上，并被未示出的传统装置紧密接触地夹持，以便提供阴极冷却。侧元件7围绕蒸发表面2的边缘设置，可以包括如图2和3所述的绝缘或金属材料。磁场发生装置包括侧磁体18和中央导磁极片21。磁体18具有箭头所表示的垂直于蒸发表面2的磁化取向。中央磁极片21可以制造成沿阴极长度的多个分离段，如图6所示，以便维持阴极棒1的机械完整性。阳极22沿边缘设置，并且从蒸发表面2向外延伸。可以采用未示出的传统安装、连接、屏蔽和绝缘装置。

图6展示了图5实施例的磁体和磁极片的透视图。磁体18围绕中央磁极片21的周边安装在阴极棒1的相对侧。磁化取向垂直于阴极棒端上的蒸发表面的磁体18，设置在阴极端的磁极片21上，以便在各端的蒸发表面上产生平行磁场分量。磁体18和磁极片21一起形成磁路，在蒸发表面2的相对侧上的磁体18之间具有磁极气隙。横跨磁体18的相对面之间的气隙产生磁通量，如图8所示。阴极棒1位于磁极气隙内，以使在磁极气隙产生的磁通量穿过全部蒸发表面2之上，包括各端，围绕阴极的整个周边提供平行于蒸发表面2的磁场分量。中央磁极片21穿过阴极棒1的中心，并且与阴极的相对侧上的磁体18磁性连接，以便构成磁路，为磁通量提供“返回通路”。

图7和8展示了代表分别由图3和5的磁体和磁极片结构产生的磁场剖面的标绘曲线。参见图7和8，在靠近蒸发表面2的区域30中的磁力线主要是平行于蒸发表面2，并且垂直于阴极长轴。在蒸发表面之上的区域31中磁场中凸地拱起，并且在阴极体内的蒸发表面之下的区域32中中凹地拱起，以便提供对蒸发表面上的等离子体放电的磁性横向限制，同时防止随着阴极材料被蒸发而形成窄消蚀槽。通过选择磁体材料和磁体厚度“t”(在磁化方向)可以控制磁场强度。例如在图7和8的构型中，3mm厚度的陶瓷8级磁体将在7.5cm的蒸发表面宽度之间提供约50高斯的平行磁场分量，而10mm厚度的钕35级磁体将提供约500高斯的平行磁场分量。这些类型的磁体可以例如从Los Angeles,CA.的MagnetSales,Inc.获得。

图9展示了用于涂敷淀积或离子注入的布置，其中围绕本发明的中央阴极35设置多个基片安装心轴36。安装心轴36可以包括保持待涂敷或注入的多个小基片的装置。箭头6表示从阴极35汽相发射的方向。整个基片阵列可以围绕阴极35旋转，以便实现均匀覆盖。各个基片36也可以围绕其自轴旋转，以便改善均匀性或者增加基片安装面积。在本发明的范围之内可以有各种其它布置。例如，图10展示了用于涂敷淀积或者离子注入的布置，其中两列基片36直线移动经过本发明的中央阴极35。这些基片可以连续或者间歇地移动，也可以在其自轴上旋转，以便改善均匀性或者增加基片安装面积。在另一实施例中，如图3所示的阴极和阳极组件可以用于管子内部的涂敷，通过阴极和管子之间的相对旋转获得均匀覆盖。因此在电弧淀积的内管涂敷中可以获得的微颗粒含量低于使用圆筒电弧阴极获得的涂敷。

可以在基片阵列内设置相同或不同蒸发材料的多个阴极，以便提高总蒸发率或者淀积或注入混合合金或多层结构。由于蒸发表面可以制成远窄于平面磁控型阴极所可能有的，所以本发明的阴极极适合于并排的布置，从而提供更为紧凑的阴极组件和更为搭接的发射分布。有利于在多阴极系统中使用溅射和电弧阴极两者。例如可以首先淀积溅射的涂层，然后淀积电弧蒸发的涂层，反之亦然。在对确定的材料进行合金化时，可以期望以一种阴极(例如铝)作为溅射阴极，避免产生过量的微颗粒，同时以其它(例如钛)作为电弧蒸发阴极，获得增强的电离化和反应活性的优点。多个阴极的并排安装需要调节磁极强度或者取向，以便补偿阴极之间磁相互作用。

在电弧蒸发的情形，把电源电缆装配在阴极的方式会对阴极消蚀均匀性有影响。电缆内几百安培的电弧电流和阴极本身产生可以影响电弧点在蒸发表面上的移动的磁场。对于本发明的电弧蒸发阴极，通常要求使电源连接在阴极的非蒸发两侧对称。电源电缆可以沿阴极各侧对称布线，以便获得对自身磁场的最大消除。

这里引证的全部专利、专利文件和出版物的整个公开，正如各自被单独引用的一样，均被引做参考。尽管展示和说明了本发明的特定实施例，但其各种改进对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。因此，本发明并不限于公开的实施例。涉及本发明阴极的剖面形状的术语“基本是矩形”，应理解为包括因安装装置、绝缘体等引起的整个形状的变化，以及改善等离子体放电的横向限制或者影响消蚀或发射分布所要求的蒸发表面外观的变化。

Claims (26)

1．一种阴极，用于溅射或电弧蒸发，具有基本是矩形剖面的棒形状，所述棒的长度大于所述矩形剖面的任一边长尺寸；所述阴极的外表面具有四个侧边和两端；所述四个侧边包括第一对平行侧边和第二对平行侧边；所述阴极包括：

蒸发表面，包括至少一种待蒸发材料，所述蒸发表面由所述阴极的所述第一对平行侧边和所述两端的各部件所限定，所述蒸发表面具有两边缘，每个边缘由所述蒸发表面与所述第二对平行侧边之一的交叉线所限定；

磁场发生装置，在所述蒸发表面附近建立磁场，所述磁场由磁力线表示，所述磁场在全部所述蒸发表面之上具有分量，所述分量平行于所述蒸发表面并且垂直于所述阴极的所述第二对平行侧边；所述磁场的作用在于按围绕所述阴极周边的闭合通路，对所述蒸发表面上的溅射等离子体或者至少一个电弧放电点进行引导，以使所述待蒸发材料从所述蒸发表面蒸发；

横向限制装置，用于在所述蒸发表面的所述边缘之间横向地限制溅射等离子体或至少一个电弧放电点；

所述阴极用于发射待蒸发的所述材料的蒸汽，所述蒸汽沿基本垂直于所述蒸发表面的方向发射。

2．根据权利要求1的阴极，其中所述阴极的所述长度是所述剖面任一边长尺寸的至少4倍。

3．根据权利要求1的阴极，其中所述阴极的所述长度是所述剖面任一边长尺寸的至少10倍。

4．根据权利要求1的阴极，其中所述平行磁场分量的磁通密度在1-100高斯之间。

5．根据权利要求1的阴极，其中所述平行磁场分量的磁通密度在100-1000高斯之间。

6．根据权利要求1的阴极，其中所述平行磁场分量的磁通密度在400-2000高斯之间。

7．根据权利要求1的阴极，其中所述磁场发生装置包括至少一个具有中心轴的电磁铁线圈，所述线圈用于至少在所述线圈的中心区，产生磁力线基本平行于所述中心轴的磁场，设置所述线圈以使所述中心轴垂直于所述阴极的所述第二对平行侧边，并且以使全部所述蒸发表面位于所述中心区之内。

8．根据权利要求1的阴极，其中所述磁场发生装置包括至少两个电磁铁线圈，每个线圈具有中心轴；所述线圈共轴设置在所述阴极的两侧上，以使所述中心轴垂直于所述阴极的所述第二对平行侧边，所述线圈用于在全部所述蒸发表面上产生具有平行于所述蒸发表面的分量的磁场。

9．根据权利要求1的阴极，其中所述磁场发生装置包括安装在导磁极片上的多个永磁体，所述磁极片包括至少两个侧磁极片和至少一个中央磁极片，所述侧磁极片设置成基本平行于所述阴极的所述第二对平行侧边，并且位于所述蒸发表面的各侧边，所述中央磁极片设置在所述侧磁极片之间，并且穿过至少一个穿通所述阴极的孔，所述孔基本平行于所述第二对平行侧边，并且不与所述蒸发表面的任何部分交叉；

所述永磁体包括至少两组磁体，所述磁体组中至少之一靠近所述蒸发表面安装在每一个所述侧磁极片上，所述磁体的磁化方向垂直于所述侧磁极片，并且平行于所述蒸发表面；所述每组中的所述磁体按围绕所述蒸发表面周边的阵列设置在所述侧磁极片上；

所述磁体和磁极片形成磁路，所述磁路具有基本平行于所述蒸发表面且在其全部上延伸的磁极气隙，所述中央磁极片在所述侧磁极片之间为产生于所述磁极气隙的磁通提供返回通路，所述磁路用于在所述磁极气隙之内产生磁场，所述磁场在所述蒸发表面上的每一点具有平行于所述蒸发表面的分量。

10．根据权利要求1的阴极，其中所述磁场发生装置包括安装在至少一个导磁中央极片上的多个永磁体，所述磁极片设置成基本平行于所述蒸发表面，并且穿过至少一个穿通所述阴极的孔，所述孔基本垂直于所述第二对平行侧边，并且不与所述蒸发表面的任何部分交叉；

所述永磁体包括至少两组磁体，所述磁体组中至少之一围绕所述中央磁极片的周边安装在所述阴极的相对侧边上，并且靠近每个所述第二对平行侧边，所述磁体的磁化方向平行于所述第二对平行侧边，并且所述阴极的相对侧边上的磁体组之间的磁化方向相互相反；

所述磁体和磁极片形成磁路，所述磁路在所述阴极的相对侧边上的所述磁体组之间具有磁极气隙，所述中央磁极片在所述磁体之间为产生于所述磁极气隙的磁通提供返回通路，所述磁路用于在所述磁极气隙之内产生磁场，所述磁场在全部所述蒸发表面上具有平行于所述蒸发表面的分量。

11．根据权利要求1的用于溅射或电弧蒸发的阴极，其中所述横向限制装置包括用于在所述蒸发表面上产生垂直磁场分量的磁性装置，所述垂直分量附加于所述平行分量，在所述蒸发表面附近产生所述磁场的净曲率，所述曲率包括在全部所述蒸发表面上的区域中的磁力线的中凸拱起隧道；所述磁性隧道用于按围绕所述阴极周边的闭合通路，在所述蒸发表面上引导溅射等离子体或者至少一个电弧放电点，阻止所述溅射等离子体或者电弧点横向移出所述蒸发表面。

12．根据权利要求1的溅射阴极，其中所述横向限制装置包括在所述蒸发表面的所述两边缘的突出部分，所述突出部分具有从所述蒸发表面向外延伸的壁，并且与所述阴极电气连接；所述壁在所述蒸发表面上伸出至少约2mm的距离；所述蒸发表面上的所述磁力线的至少一部分通过所述壁；所述突出部分用于防止溅射等离子体沿所述磁力线横向扩散出所述蒸发表面。

13．根据权利要求1的溅射阴极，其中所述横向限制装置包括至少两个靠近所述蒸发表面的所述边缘设置的侧电极；所述电极具有从所述蒸发表面向外延伸的壁，并且与所述阴极电绝缘；所述壁在所述蒸发表面上伸出至少2mm的距离；所述侧电极被电气浮置或者以阴极电位以上的电压使其电偏置；所述蒸发表面上的所述磁力线的至少一部分通过所述壁；所述侧电极用于防止溅射等离子体沿所述磁力线横向扩散出所述蒸发表面。

14．根据权利要求1的蒸发阴极，其中所述横向限制装置包括靠近所述蒸发表面的所述边缘设置的绝缘体装置，所述绝缘体装置用于防止电弧放电点移出所述蒸发表面。

15．根据权利要求1的蒸发阴极，其中所述横向限制装置包括在所述蒸发表面的所述两边缘的突出部分，所述突出部分具有从所述蒸发表面向外延伸的壁，并且与所述阴极电气连接；所述壁在所述蒸发表面上伸出至少约2mm的距离；所述蒸发表面上的所述磁力线的至少一部分通过所述壁；所述突出部分用于防止电弧点横向移出所述蒸发表面。

16．根据权利要求1的阴极，包括至少两种待蒸发材料的至少两个矩形棒的端与端的布置。

17．根据权利要求1的阴极，包括安装装置和蒸发元件装置，所述蒸发元件装置包括围绕所述安装装置整个周边安装的多个可替换元件，所述可替换元件包括至少一种待蒸发材料，所述蒸发表面包括所述可替换元件。

18．根据权利要求17的阴极，其中所述可替换元件包括至少两种不同的待蒸发材料。

19．一种基片涂敷或离子注入用设备，包括真空室和泵装置、至少一个权利要求1的阴极、阳极装置、电源装置和基片安装装置。

20．根据权利要求19的设备，其中所述基片安装装置包括多个安装心轴、所述心轴设置成围绕所述阴极的圆环阵列；所述心轴的圆环阵列具有围绕阵列中心旋转的装置；每个所述心轴具有围绕其自轴旋转的装置。

21．根据权利要求19的设备，其中所述基片安装装置包括多个安装心轴，每个所述心轴包括用于安装多个待涂敷或注入基片的装置；所述心轴设置成至少2直线阵列，所述直线阵列的至少之一设置成面对所述阴极的所述第一对平行侧边的每一边；所述直线阵列具有用于在平行于所述第一平行侧边并且垂直于所述阴极的所述长度的方向移动的装置；所述心轴的每一个具有用于围绕其自轴旋转的装置。

22．一种用于溅射或电弧蒸发的阴极，具有基本是矩形的剖面，所述阴极的长度大于所述矩形剖面的任一边长尺寸，所述阴极具有四个侧边和两端，所述四个侧边包括第一对平行侧边和第二对平行侧边。

23．根据权利要求22的阴极，其中所述阴极包括含有至少一种蒸发材料的蒸发表面，所述蒸发表面包括所述第一对平行侧边和所述两端。

24．根据权利要求23的阴极，其中所述蒸发表面具有两边缘，每个边缘由所述蒸发表面与所述第二对平行侧边之一的交叉线所限定。

25．根据权利要求24的阴极，包括横向限制装置，用于把溅射等离子体或者至少一个电弧放电点横向地限制在所述蒸发表面的所述边缘之间。

26．根据权利要求25的阴极，包括磁场发生装置，用于在所述蒸发表面附近建立磁场，所述磁场由磁力线表示，所述磁场在全部所述蒸发表面上具有的分量，平行于所述蒸发表面并且垂直于所述阴极的所述第二对平行侧边，所述磁场用于按围绕所述阴极周边的闭合路径在所述蒸发表面上引导溅射等离子体或者至少一个电弧放电点，以便所述待蒸发材料从所述蒸发表面蒸发。

Images